JPWO2012032625A1 - 電気加熱式触媒 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気加熱式触媒（ＥＨＣ）における電極とケースとの短絡を抑制することを目的とする。本発明に係るＥＨＣでは、ケース４に形成された貫通孔と、ケース４の内壁面と発熱体３の外周面との間に形成された電極室９と、を通って電極７が発熱体３に接続されている。そして、電気絶縁材によって形成され、ケース４に形成された貫通孔において電極７を支持する支持部材８が、電極７に沿って電極室９内にまで延びている。

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒に関する。

従来、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒として、通電されることで発熱する発熱体によって触媒が加熱される電気加熱式触媒（Electrically Heated Catalyst：以下、ＥＨＣと称する）が開発されている。

ＥＨＣにおいては、通電によって発熱する発熱体と、該発熱体の収容するケースとの間に、電気を絶縁する絶縁部材が設けられる。例えば、特許文献１には、ＥＨＣにおいて、通電により発熱する担体と、該担体を収容するケースとの間に、絶縁体のマットを設ける技術が開示されている。このような絶縁部材を設けることで、発熱体とケースとの間が短絡することを抑制することができる。

特許文献２には、内燃機関の排気管に、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、フィルタ再生のためにフィルタを加熱するヒータとを設けた構成において、フィルタ及びヒータの温度管理を好適に行なうための温度センサの設置位置に関する技術が開示されている。この特許文献２には、温度センサの検温部をヒータの近傍に設置すると、ヒータがＯＦＦされても、温度センサの温度検出値が下がり難いことが記載されている。

特開平０５−２６９３８７号公報 特開２００４−１００６３７号公報

ＥＨＣにおける発熱体のケース内には、発熱体に接続する電極を通すための空間である電極室が形成される。絶縁部材及び発熱体は該電極室の壁面を構成する。

絶縁部材や発熱体には、排気管を流れる排気が侵入する。上記のように形成された電極室内には、絶縁部材又は発熱体の外周壁を通過した排気が浸入する。排気には水分が含まれている。そのため、電極室内に排気が侵入すると、排気中の水分が凝縮することで電極室内に凝縮水が発生する場合がある。

また、排気管内においても、排気管壁面で排気中の水分が凝縮されることで凝縮水が発生することがある。排気管内で凝縮水が発生すると、該凝縮水は排気に押されて排気管の内壁面を流れる。そして、該凝縮水がＥＨＣに到達すると、それが絶縁部材や発熱体に浸入する。凝縮水が絶縁部材や発熱体に浸入すると、それらを通過した凝縮水や、それらの内部において凝縮水が蒸発することで発生した水蒸気が、電極室内に浸入する場合がある。

電極室は、ケース内において発熱体や絶縁部材等に囲まれた空間である。そのため、電極室内で発生した又は電極室内に浸入した凝縮水又は水蒸気は、該電極室内に滞留し易い。そして、電極室の内壁面及び電極が凝縮水によって覆われると、電極とケースとが短絡する虞がある。電極とケースとが短絡すると、通電によって発熱体を十分に昇温させることが困難となる。その結果、ＥＨＣの排気浄化能力の低下を招く虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、ＥＨＣにおける電極とケースとの短絡を抑制することを目的とする。

本発明に係るＥＨＣでは、ケースに形成された貫通孔と、ケースの内壁面と発熱体の外周面との間に形成された電極室と、を通って電極が発熱体に接続されている。そして、電気絶縁材によって形成され、ケースに形成された貫通孔において電極を支持する支持部材が、電極に沿って電極室内にまで延びている。

より詳しくは、本発明に係るＥＨＣは、
内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒であって、
通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
前記発熱体を収容するケースと、
前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ、前記発熱体を支持すると共に電気を絶縁する絶縁部材と、
前記ケースに形成された貫通孔と、前記ケースの内壁面と前記発熱体の外周面との間に位置する空間であって前記絶縁部材によってその側壁面が形成された電極室と、を通って前記発熱体に接続され、前記発熱体に電気を供給する電極と、
電気絶縁材によって形成されており、前記ケースに形成された貫通孔において前記ケースと前記電極との間に隙間なく設けられることで前記電極を支持し、且つ前記発熱体の輻射熱及び放熱の熱量を受熱可能な位置まで前記電極に沿って前記電極室内に突出するように形成された支持部材と、
を備える。

本発明においては、電極を支持する支持部材が電極室内において排気に晒されている。そのため、支持部材が凝縮水に覆われる可能性がある。しかしながら、支持部材は、発熱体の輻射熱及び放熱の熱量を受熱可能な位置まで延びている。そのため、支持部材の発熱体の近くに位置する部分を覆う凝縮水は蒸発し易い。該部分を覆う凝縮水が蒸発すれば、電極とケースとの間の絶縁のための沿面距離を確保することができる。従って、本発明によれば、電極室における電極とケースとの凝縮水による短絡を抑制することができる。

本発明に係るＥＨＣでは、ケースにおける、電極室の壁面を形成する部分であって、電極が通る貫通孔が形成される部分が、他の部分よりも外側に突出した凸形状に形成されてもよい。これによれば、電極室が外側に向かってより広がる。そのため、支持部材における電極に沿って電極室内に突出する部分をより長くすることができる。従って、電極とケースとの間の絶縁のための沿面距離を、より長くすることができる。

また、上記の場合、支持部材の電極に沿って電極室内に突出した部分の先端が、ケースの凸形状に形成された部分の内部において、ケースの他の部分の内壁面よりも外側に位置するように、支持部材が形成されてもよい。これによれば、支持部材が、絶縁部材を通過して電極室内に侵入した排気の流れに直接晒され難くなる。そのため、支持部材が凝縮水に覆われ難くなる。

また、本発明においては、支持部材における電極室内に突出している部分の電極の軸方向と垂直に交わる方向の断面積が、ケースの内壁面に近い部分よりも発熱体に近い部分の方がより小さくなるように、支持部材が形成されてもよい。

これによれば、支持部材における発熱体に近い部分の熱容量がより小さくなる。その結果、支持部材の該部分を覆った凝縮水の蒸発がより促進される。従って、電極とケースとの間の短絡をより高い確率で抑制することが可能となる。

本発明によれば、ＥＨＣにおける電極とケースとの短絡を抑制することができる。

実施例１に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。 実施例１に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図であって、電極室内の凝縮水の様子を示す図である。 実施例２に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。 実施例２の変形例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。 実施例３に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。 実施例３の変形例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
［ＥＨＣの概略構成］
図１は、本実施例に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の概略構成を示す図である。本実施例に係るＥＨＣ１は、車両に搭載される内燃機関の排気管に設けられる。内燃機関は、ディーゼル機関であっても、ガソリン機関であってもよい。また、電気モータを備えたハイブリッドシステムを採用した車両においても本実施例に係るＥＨＣ１を用いることができる。

図１は、内燃機関の排気管２の中心軸Ａに沿ってＥＨＣ１を縦方向に切断した断面図である。尚、ＥＨＣ１の形状は中心軸Ａに対して線対称のため、図１では、便宜上ＥＨＣ１の上側の部分のみを示している。

本実施例に係るＥＨＣ１は、触媒担体３、ケース４、マット５、内管６、電極７を備えている。触媒担体３は、円柱状に形成されており、その中心軸が排気管２の中心軸Ａと同軸となるように設置されている。触媒担体３には排気浄化触媒１５が担持されている。排気浄化触媒１５としては、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒及び三元触媒等を例示することができる。

触媒担体３は、通電されると電気抵抗となって発熱する材料によって形成されている。触媒担体３の材料としては、ＳｉＣを例示することができる。触媒担体３は、排気の流れる方向（すなわち、中心軸Ａの方向）に伸び且つ排気の流れる方向と垂直な断面がハニカム状をなす複数の通路を有している。この通路を排気が流通する。尚、中心軸Ａと直交する方向の触媒担体３の断面形状は楕円形等であっても良い。中心軸Ａは、排気管２、触媒担体３、内管６、及びケース４で共通の中心軸である。

触媒担体３はケース４に収容されている。ケース４内には電極室９が形成されている。触媒担体３には、該電極室９を通して一対の電極７（図１では一方の電極のみを図示）が接続されている。電極７にはバッテリ（図示せず）から電気が供給される。電極７に電気が供給されると、触媒担体３に通電される。通電によって触媒担体３が発熱すると、触媒担体３に担持された排気浄化触媒１５が加熱され、その活性化が促進される。

ケース４は、金属によって形成されている。ケース４を形成する材料としては、ステンレス鋼材を例示することができる。ケース４は、中心軸Ａと平行な曲面を含んで構成される収容部４ａと、該収容部４ａよりも上流側及び下流側で該収容部４ａと排気管２とを接続するテーパ部４ｂ，４ｃと、を有している。収容部４ａの通路断面積は排気管２の通路断面積よりも大きくなっており、その内側に、触媒担体３、マット５、及び内管６が収容されている。テーパ部４ｂ，４ｃは、収容部４ａから離れるに従って通路断面積が縮小するテーパ形状をしている。

ケース４の収容部４ａの内壁面と触媒担体３の外周面との間にはマット５が挟み込まれている。つまり、ケース４内において、触媒担体３がマット５によって支持されている。また、マット５には内管６が挟み込まれている。つまり、マット５が、内管６によってケース４側と触媒担体３側とに分割されている。

マット５は、電気絶縁材によって形成されている。マット５を形成する材料としては、アルミナを主成分とするセラミックファイバーを例示することができる。マット５は、触媒担体３の外周面及び内管６の外周面に巻きつけられている。マット５が、触媒担体３とケース４との間に挟み込まれていることで、触媒担体３に通電したときに、ケース４へ電気が流れることが抑制される。

内管６は、電気絶縁材によって形成されている。内管６を形成する材料としては、アルミナを例示することができる。内管６は、中心軸Ａを中心とした管状に形成されている。図１に示すように、内管６は、中心軸Ａ方向の長さがマット５より長い。そのため、内管６の上流側及び下流側の端部は、マット５の上流側及び下流側の端面から突出している。

ケース４及び内管６には、電極７を通すために、貫通孔４ｄ，６ａが開けられている。また、マット５には、電極７を通すための空間が形成されている。このような、ケース４の内壁面と触媒担体３の外周面との間に位置し、マット５によってその側壁面が形成された空間によって、電極室９が形成されている。

電極７は、接続部７ａ及び軸部７ｂを有している。接続部７ａは、触媒担体３に接続される部分であって、触媒担体３の側面に沿うように形成されている。軸部７ｂは、その一端が接続部７ａに接続されている。そして、軸部７ｂは、内管６に形成された貫通孔６ａ及びケース４に形成された貫通孔４ｄを通ってケース４の外部に向かって延びている。つまり、電極室９は、軸部７ｂの周囲に形成される。尚、電極７を、接続部７ａと軸部７ｂとが直接接続されておらず、接続部７ａと軸部７ｂの先端部とが導線で接続された構成としてもよい。

ケース４に開けられている貫通孔４ｄには、電極７の軸部７ｂを支持する支持部材８が設けられている。この支持部材８は電気絶縁材によって形成されており、ケース４と電極７の軸部７ｂとの間に隙間なく設けられている。また、支持部材８は、電極７の軸部７ｂに沿って電極室９内に突出しており、触媒担体３の輻射熱及び放熱の熱量を受熱可能な位置まで延びている。

本実施例においては、触媒担体３が本発明に係る発熱体に相当する。ただし、本発明に係る発熱体は触媒を担持する担体に限られるものではなく、例えば、発熱体は触媒の上流側に設置された構造体であってもよい。また、本実施例においては、ケース４が本発明に係るケースに相当し、マット５が本発明に係る絶縁部材に相当する。また、本実施例においては、電極７が本発明に係る電極に相当し、支持部材８が本発明に係る支持部材に相当する。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
図１において、矢印は、排気、凝縮水、及び凝縮水が蒸発することで発生した水蒸気の流れを表している。マット５及び触媒担体３には排気管２を流れる排気が浸入する。該排気が、触媒担体３の外周壁又はマット５を通過し、電極室９内に侵入すると、排気中の水分が凝縮することで電極室９内に凝縮水が発生する場合がある。

また、排気管２内において凝縮水が発生し、該凝縮水がマット５又は触媒担体３に浸入すると、該凝縮水がマット５又は触媒担体３内に滞留する。そして、マット５又は触媒担体３内に滞留した凝縮水の量が増加すると、該凝縮水が電極室９内に侵入する場合がある。また、排気の温度が上昇すると、マット５又は触媒担体３内に滞留した凝縮水が蒸発し、該凝縮水が水蒸気の状態で電極室９内に侵入する場合もある。

電極室９は、ケース４の内壁面、触媒担体３の側面、及びマット５に囲まれ閉じられた空間となっている。そのため、電極室９内で発生した又は電極室９内に浸入した凝縮水又は水蒸気は、該電極室９内に滞留し易い。

ここで、支持部材８が、ケース４の貫通孔４ｄにのみ設けられており、電極室９内にまで延びていない場合（即ち、ケース４の内壁面よりも内側に突出していない場合）、電極室９内において、電極７の軸部７ｂが排気に晒される。この場合、電極７の軸部７ｂが凝縮水に覆われ易い。電極室９及び電極室９内の電極７が凝縮水によって覆われると、電極７とケース４とが短絡する虞がある。電極７とケース４とが短絡すると、通電によって触媒担体３を十分に昇温させることが困難となる。その結果、排気浄化触媒１５を十分に加熱することが困難となり、ＥＨＣ１の排気浄化能力の低下を招く虞がある。

そこで、本実施例では、上述したように、支持部材８を、電極７の軸部７ｂに沿って電極室９内に突出させる。これによれば、支持部材８を電極室９内に突出させない場合に比べて、電極７の軸部７ｂとケース４との間の絶縁のための沿面距離をより長くすることができる。

図２は、本実施例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図であって、電極室９内の凝縮水の様子を示す図である。本実施例では、電極室９内において、支持部材８が排気に晒されている。そのため、支持部材８が凝縮水に覆われる可能性がある。そして、図２（ａ）に示すように、本実施例に係る構成の場合であっても、電極室９の内壁面、電極７、及び支持部材８が凝縮水によって覆われると、電極７とケース４とが短絡する虞がある。

しかしながら、本実施例においては、支持部材８が、触媒担体３の輻射熱及び放熱の熱量を受熱可能な位置まで延びている。従って、支持部材８における触媒担体３の近くに位置する部分は、触媒担体３の輻射熱及び放熱の熱量を受熱することで加熱され易い。そのため、支持部材８の該部分を覆う凝縮水は蒸発し易い。図２（ｂ）に示すように、支持部材８の該部分を覆う凝縮水が蒸発すれば、電極７とケース４との間の絶縁のための沿面距離を確保することができる。従って、本実施例によれば、電極室９における電極７とケース４との凝縮水による短絡を抑制することができる。

尚、本実施例においては、電極７とケース４との間の絶縁のための沿面距離をより長くするため、また、触媒担体３の輻射熱及び放熱の熱量をより受熱し易くするために、支持部材８は、触媒担体３の近傍にまで延びているのが好ましい。また、支持部材８は、軸部７ｂの接続部７ａとの接続部分まで達していてもよい。

＜実施例２＞
［ＥＨＣの概略構成］
図３は、本実施例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。図３に示すように、本実施例においては、ケース４の収容部４ａにおける電極室９の壁面を形成する部分であって、電極７の軸部７ｂが通る貫通孔４ｄが形成される部分４ｅが、ケース４の収容部４ａにおける他の部分よりも外側に突出した凸形状に形成されている(以下、この部分を凸形状部と称する)。

本実施例においても、支持部材８は、実施例１と同様、ケース４の貫通孔４ｄから、触媒担体３の輻射熱及び放熱の熱量を受熱可能な位置まで延びている。また、凸形状部４ｅの内部の側壁面と支持部材８との間の距離Ｌ１が、この間における放電の発生が抑制される距離となるように、凸形状部４ｅは形成されている。これら以外の構成は実施例１に係るＥＨＣと同様である。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
本実施例によれば、凸形状部４ｅが形成されることで、電極室９が外側に向かってより広がる。そして、支持部材８における電極７の軸部７ｂに沿って電極室９内に突出する部分が、凸形状部４ｅが形成されない場合に比べてより長くなる。その結果、電極７とケース４との間の絶縁のための沿面距離をより長くすることができる。従って、電極室９における電極７とケース４との短絡をより高い確率で抑制することが可能となる。

本実施例に係る構成は、ＥＨＣ４の収容部４ａの内壁面と触媒担体３の側面との間隔を十分に大きく取れない場合により有効である。

［変形例］
図４は、本実施例の変形例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。図４に示すように、本変形例においては、支持部材８の電極７に沿って電極室９内に突出した部分の先端が、ケース４の凸形状部４ｅの内部において、ケース４の収容部４ａにおける他の部分の内壁面よりも外側に位置している。

このような変形例の構成によれば、支持部材８が、マット５を通過して電極室９内に侵入した排気の流れに直接晒され難くなる（図４において、矢印は排気の流れを示している）。そのため、支持部材８の表面で排気中の水分が冷却されて凝縮水が発生することが抑制される。その結果、支持部材８が凝縮水により覆われ難くなる。従って、電極室９における電極７とケース４との短絡をより高い確率で抑制することが可能となる。

＜実施例３＞
［ＥＨＣの概略構成］
図５は、本実施例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。図５に示すように、本実施例においては、支持部材８における電極室９内に突出している部分が、電極７の軸部７ｂの軸方向と垂直に交わる方向の断面積が先端にいくほど小さくなるテーパ形状を有している。つまり、支持部材８の電極７の軸部７ｂの軸方向と垂直に交わる方向の断面積が、ケース４の内壁面に近い部分よりも触媒担体３に近い部分の方がより小さくなっている。これ以外の構成は実施例１に係るＥＨＣと同様である。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
本実施例によれば、支持部材８における電極室９内に突出している部分の熱容量が、触媒担体３に近い部分ほど小さくなる。そのため、支持部材８の触媒担体３に近い部分の温度が、触媒担体３の輻射熱及び放熱の熱量を受熱することで、より上昇し易い。その結果、支持部材８の該部分を覆った凝縮水の蒸発がより促進される。従って、電極室９における電極７とケース４との短絡をより高い確率で抑制することが可能となる。

［変形例］
図６は、本実施例の変形例に係るＥＨＣの電極室が形成された部分を拡大した図である。本実施例においては、支持部材８の電極７の軸部７ｂの軸方向と垂直に交わる方向の断面積が、ケース４の内壁面に近い部分よりも触媒担体３に近い部分の方がより小さくなっていれば、支持部材８は必ずしもテーパ形状となっていなくてもよい。例えば、図６に示すように、支持部材８の該断面積を段階的に変化させてもよい。支持部材８を図６に示すような構成としても、支持部材８における触媒担体３に近い部分の熱容量が減少するため、上記と同様の効果を得ることができる。

尚、実施例２のようにケース４に凸形状部を形成した場合においても、本実施例に係る支持部材の構成を適用することができる。

１・・・電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
３・・・触媒担体
４・・・ケース
５・・・マット
６・・・内管
７・・・電極
８・・・支持部材
９・・・電極室

より詳しくは、本発明に係るＥＨＣは、
内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒であって、
通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
前記発熱体を収容するケースと、
前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ、前記発熱体を支持すると共に電気を絶縁する絶縁部材と、
前記ケースに形成された貫通孔と、前記ケースの内壁面と前記発熱体の外周面との間に位置する空間であって前記絶縁部材によってその壁面が形成された電極室と、を通って前記発熱体に接続され、前記発熱体に電気を供給する電極と、
電気絶縁材によって形成されており、前記ケースに形成された貫通孔において前記ケースと前記電極との間に隙間なく設けられることで前記電極を支持し、且つ前記電極に沿って前記電極室内に突出するように形成された支持部材と、を備え、
前記ケースにおける、前記電極室の壁面を形成する部分であって前記貫通孔が形成される部分が、他の部分よりも外側に突出した凸形状に形成され、凸形状部の内壁面と前記支持部材とが離間している。

本発明に係るＥＨＣでは、ケースにおける、電極室の壁面を形成する部分であって、電極が通る貫通孔が形成される部分が、他の部分よりも外側に突出した凸形状に形成されて
いる。そして、凸形状部の内部の内壁面と前記支持部材とが離間している。これによれば、電極室が外側に向かってより広がる。そのため、支持部材における電極に沿って電極室内に突出する部分をより長くすることができる。従って、電極とケースとの間の絶縁のための沿面距離を、より長くすることができる。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒であって、
   通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
   前記発熱体を収容するケースと、
   前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ、前記発熱体を支持すると共に電気を絶縁する絶縁部材と、
   前記ケースに形成された貫通孔と、前記ケースの内壁面と前記発熱体の外周面との間に位置する空間であって前記絶縁部材によってその側壁面が形成された電極室と、を通って前記発熱体に接続され、前記発熱体に電気を供給する電極と、
   電気絶縁材によって形成されており、前記ケースに形成された貫通孔において前記ケースと前記電極との間に隙間なく設けられることで前記電極を支持し、且つ前記発熱体の輻射熱及び放熱の熱量を受熱可能な位置まで前記電極に沿って前記電極室内に突出するように形成された支持部材と、
   を備える電気加熱式触媒。
2. 前記ケースにおける、前記電極室の壁面を形成する部分であって前記貫通孔が形成される部分が、他の部分よりも外側に突出した凸形状に形成されている請求項１に記載の電気加熱式触媒。
3. 前記支持部材の前記電極に沿って前記電極室内に突出した部分の先端が、前記ケースの凸形状に形成された部分の内部において、前記ケースの他の部分の内壁面よりも外側に位置している請求項２に記載の電気加熱式触媒。
4. 前記支持部材における前記電極室内に突出している部分の前記電極の軸方向と垂直に交わる方向の断面積が、前記ケースの内壁面に近い部分よりも前記発熱体に近い部分の方がより小さくなっている請求項１から３のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒。

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